Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.47
no.10
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pp.712-719
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2019
This paper explores an implementation of finite element analysis and experiment in the design process of a tape spring hinge used for various CubeSat missions. Tape spring hinges consist of short-length hardened-steel strips with one-sided curvature, and thus the behavior is subject to large deformation with unpredicted non-linearity. Precise dimensions of a commercial tape spring are traced by the use of high-resolution digital camera, and thin-shell FEM analysis is conducted using ABAQUS program. Based on the rotation-moment analysis suggested in previous studies, parametric analysis is conducted by adjusting the contributing factors such as strip thickness and the subtended angle of the cross section. Finally the behaviors are investigated by both analytical and non-linear finite element methods, and the results are compared with the simple measurements. Further studies suggest a possible application in dynamic characteristics of hinges during CubeSat operations.
Biao Liu;Zhengzhong Wang;Bo Zhang;Ningjun Du;Mingxia Gao;Guoliang Bai
Steel and Composite Structures
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v.46
no.2
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pp.221-236
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2023
In order to study the seismic response of the main plant of steel reinforced concrete (SRC) structure of the CAP1400 nuclear power plant under the influence of different high-mode vibration, the 1/7 model structure was manufactured and its dynamic characteristics was tested. Secondly, the finite element model of SRC frame-bent structure was established, the seismic response was analyzed by mode-superposition response spectrum method. Taking the combination result of the 500 vibration modes as the standard, the error of the base reactions, inter-story drift, bending moment and shear of different modes were calculated. Then, based on the results, the influence of high-mode vibration on the seismic response of the SRC frame-bent structure of the main plant was analyzed. The results show that when the 34 vibration modes were intercepted, the mass participation coefficient of the vertical and horizontal vibration mode was above 90%, which can meet the requirements of design code. There is a large error between the seismic response calculated by the 34 and 500 vibration modes, and the error decreases as the number of modes increases. When 60 modes were selected, the error can be reduced to about 1%. The error of the maximum bottom moment of the bottom column appeared in the position of the bent column. Finally, according to the characteristics of the seismic influence coefficient αj of each mode, the mode contribution coefficient γj•Xji was defined to reflect the contribution of each mode to the seismic action.
Due to the unique construction method of modular steel buildings (MSBs) with units prefabricated fully off the site and assembled quickly on the site, the inter-module connection for easy operation and overall performance of the system were key issues. However, it was a lack of relevant research on the system-level performance of MSBs. This study investigated the seismic performance of two-storey modular steel structure with a proposed vertical rotary inter-module connection. Three full-scale quasi-static tests, with and without corrugated steel plate and its combination, were carried out to evaluate and compare their seismic behaviour. The hysteretic performance, skeleton curves, ductile performance, stiffness degradation, energy dissipation capacity, and deformation pattern were clarified. The results showed that good ductility and plastic deformation ability of such modular steel structures. Two lateral-force resistance mechanisms with different layout combinations were also discussed in detail. The corrugated steel plate could significantly improve the lateral stiffness and bearing capacity of the modular steel structure. The cooperative working mechanism of modules and inter-module connections was further analyzed. When the lateral stiffness of upper and lower modular structures was close, limited bending moment transfer may be considered for the inter-module connection. While a large lateral stiffness difference existed initially between the upper and lower structures, an obvious gap occurred at the inter-module connection, and this gap may significantly influence the bending moments transferred by the inter-module connections. Meanwhile, several design recommendations of inter-module connections were also given for the application of MSBs.
This study suggests mixing steel fibers in concrete to secure the toughness of the columns. Therefore, to evaluate the structural behavior of welded built-up square columns filled with steel fiber reinforced concrete, ten stub column specimens were fabricated for compressive loading test with variables of steel fiber mixing ratio and loading condition. It is deduced that the steel fibers continue to provide tensile strength even after the concrete cracks and thus improve the strength and behavior of the column when bending moment is applied to it. A small amount of steel fibers can improve compressive strength and bending strength and thus produce economically efficient results when employed in structural design.
Construction of sheet pile retaining walls in urban and coastal regions has resulted in sheet pile walls in close proximity to laterally loaded pile foundations. However, there is currently little information available in the literature to assist engineers for quantifying the response of sheet pile walls. This study provides a quantitative method for estimating sheet pile wall response due to loads imposed from a nearby laterally loaded pile. Three dimensional finite element analyses using commercial software, ABAQUS, were performed to assess the response of a sheet pile wall and nearby laterally loaded pile. The soils were modeled using Drucker-Prager constitutive model with associated flow rule, and the sheet pile wall and pile foundation were assumed to behave linear elastic. Four parameters were investigated: sheet pile wall bending stiffness, distance from the pile face to the wall, excavation depth in front of the sheet pile wall, and elastic modulus of the soil. Results from the analyses have been used to develop preliminary design charts and simple equations for estimating the maximum horizontal displacement and maximum bending moment in the sheet pile wall.
In this study, the numerical code for the 3D nonlinear dynamic analysis of an SLWR (Steel Lazy Wave Riser) was developed using the lumped mass line model in a FORTRAN environment. Because the lumped mass line model is an explicit method, there is no matrix operation. Thus, the numerical algorithm is simple and fast. In the lumped mass line model, the equations of motion for the riser were derived by applying the various forces acting on each node of the line. The applied forces at the node of the riser consisted of the tension, shear force due to the bending moment, gravitational force, buoyancy force, riser/ground contact force, and hydrodynamic force based on the Morison equation. Time integration was carried out using a Runge-Kutta fourth-order method, which is known to be stable and accurate. To validate the accuracy of the developed numerical code, simulations using the commercial software OrcaFlex were carried out simultaneously and compared with the results of the developed numerical code. To understand the nonlinear dynamic characteristics of an SLWR, dynamic simulations of SLWRs excited at the hang-off point and of SLWRs in regular waves were carried out. From the results of these dynamic simulations, the displacements at the maximum bending moments at important points of the design, like the hang-off point, sagging point, hogging points, and touch-down point, were observed and analyzed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.5
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pp.575-584
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2014
In this study, the NREL 5 MW wind turbine tower model was optimized according to the multi-body dynamics and reliability-based design. The mathematical model was defined as a link-joint system including dynamic characteristics derived from Timoshenko's beam theory. For the optimization problem, the sensitivities to variations in the tower thicknesses and inner and outer diameters were acquired and arranged in terms of safety and efficiency according to bending stress and buckling standards. An optimal design was calculated with the advanced first-order second moment method and used to define a finite element model for validation. The finite element model was simulated by static analysis. The relationship between the multi-body dynamic and finite element method throughout the process was investigated, and the optimal model, which had high endurance despite its low mass, was determined.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.8
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pp.4048-4057
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2013
In the composite beam subjected to the hogging moment it is very difficult to evaluate the influence of the reduction of slab stiffness due to cracks and their development on the horizontal shear behavior of shear connection. In this study, a 3D FE model is developed by which one can analyze the composite action in the composite beam subjected to the hogging moment. In this FE model, each structural member and shear connection are modeled as similar as possible to details of the composite beam. Bending behaviour, and composite action which could not be analyzed using the existing 1D or 2D FE model are investigated by the 3D model. Analysis results show that the reinforcement ratio and crack behaviour of the slab are main factors which exert a strong influence on the composite action. According to the analysis results about load-slip behavior, initial crack of slab and yielding of rebars have a influence on the slip stiffness of shear connection. The existing experimental results, that the design of partial interaction can be more efficient in designing of shear connection of the composite beams, are indirectly verified by the FE analysis.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.26
no.3
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pp.173-182
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2013
The building design projects which are being proceeded nowadays pursue a complex and various shape of structures, escaping from the traditional and regular shape of buildings. In this new trend of the architecture, there rises a demand of the research in the structural engineering for the effective realization of such complex-shaped buildings which disassembles the orthogonality of frames. As a distinguished characteristics of the buildings in a complex-shape, there frequently are inclined columns included in the structural frame. The inclined column causes extra axial force and bending moment at the beam-column connection so it is necessary to assess those effects on the structural behavior of the frame and the connection by experiment or analysis. However, with comparing to the studies on the normal beam-column connections, the inclined column connections have not been studied sufficiently. Therefore, this study evaluated the beam-column connections having an inclined column using nonlinear and finite element analysis method. In this paper, steel moment frames having inclined columns were analyzed by the nonlinear pushover analysis to check the global behavior and beam-column connection models were analyzed by the finite element analysis to check the buckling behavior and the fracture potentials.
The structural framework design uses high-strength bolts and welding in column splices. However, for the column under high compression, the number of the required high-strength bolts can be excessive and the increase of welding results in difficulty of quality inspection, the transformation of the structural steels, and the increase of erection time. According to the AISC criteria, when columns have bearing plates, or they are finished to bear at splices, there shall be sufficient connections to hold all parts securely in place. The Korean standard sets the maximum 25% of the load as criteria. Using direct contact makes it possible to transfer all compressive force through it. The objective of this study is to examine the generally applied stress path mechanism of welded or bolted columns and to verify the bending moment and compression transfer mechanism of the column splice according to metal touch precision. For this study,22 specimens of various geometric shapes were constructed according to the change in the variables for each column splice type, which includes the splice method, gap width, gap axis, presence or absence of splice material, and connector type. The results show that the application of each splice can be improved through the examination of the stress path mechanism upon metal contact. Moreover, the revision of the relative local code on direct contact needs to be reviewed properly for the economics and efficiency of the splices.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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